8.1.3【知识点】CSMA与CSMA/CD

1.  CSMA

CSMA（载波监听多路访问）协议是一种带有监听的多路访问系统。CSMA被通俗地称为"先听后讲",其工作原理是：每个站在发送数据前先要监听信道上是否有载波，即是否有别的站在传输数据。如果介质空闲，就可发送；如果介质忙，就暂不发送而回避一段时间，这样大大减少了冲突。根据监听到介质状态后采取的回避策略可将其分为3种：

非坚持型CSMA

① 信道空闲，立即发送。

②当监听到信道忙状态时，不再坚持监听，而是随机后延一段时间再来监听

缺点：很可能在再次监听之前信道已空闲了，与其它站的冲突概率为0,但产生严重信道浪费。

坚持型CSMA（1-坚持CSMA）

① 信道空闲，立即发送。

② 当监听到信道忙状态时，就坚持监听，直到信道空闲，立即发送一帧。

③假如有冲突发生，则等待一段随机长的时间后再监听信道。

缺点：当某站要送数据时，先监听信道，若信道忙，若两个或两个站同时监听到信道空闲，立即发送，必定冲突，即冲突概率为1,故称之为1-坚持型。

P坚持型CSMA

① 首先监听信道，若空闲，便以概率P传送信息，而以概率（1-P）推迟发送。

② 如果该站监听到信道为忙，就等到下一个时隙再重复上述过程。

④假如有冲突发生，则等待一段时间后再监听信道。

特点：这种方式适合于时隙信道，可以算是1-坚持型CSMA和非坚持型CSMA的折衷，这两者算是P-坚持算法的特例，即P分别等于1和0时的情形。

对于P坚持型CSMA,如何选择P值，需要考虑如何避免在重负载情况下系统处于不稳定状态。假如当介质忙时，有N个站有数据等待发送，则当前的发送完成时，有NP个站企图发送，如果选择P过大，使NP>1,则冲突不可避免。最坏的情况是，随着冲突概率的不断增大，吞吐率会降为0.所以必须选择P值使NP<1.如果P值选得过于小，则通道利用率会大大降低。

例：在以太网协议中使用1-坚持型监听算法的特点是      .

A. 能及时抢占信道，但增加了冲突的概率

B. 能及时抢占信道，并减少了冲突的概率

C. 不能及时抢占信道，并增加了冲突的概率

D. 不能及时抢占信道，但减少了冲突的概率

试题分析

CSMA/CD带冲突检测的载波监听多路访问协议基本原理：站在发送数据之前检测信道是否空闲，空闲则发，否则等待；发送后进行冲突检测，发现冲突，取消发送。有三种监听算法：

1. 非坚持型监听算法：空闲-发送，忙-等待N再监听。减少了冲突的概率，但信道的利用率降低，增加了发送延时。

2. 1-坚持型监听算法：空闲-发送，忙-继续监听。有利于抢占信道，减少信道空闲时间，但容易发生冲突。

3. P-坚持型监听算法：空闲-以概率P发送，忙-继续监听。汲取以上两种算法的优点，有效平衡冲突与信道利用率，但较为复杂。

因此，试题答案为A .

2.CSMA/CD

通俗地讲，CSMA/CD就是"先听后讲，边讲边听",这种边发边监听的功能称为冲突检测。源站点监听到信道空闲后。就发送数据，并边发边监听，若监听到干扰信号，则表示检测到冲突，于是立即停止发送，并发一串阻塞信号增加冲突，以便网中其他站点均可知道冲突，然后准备重发冲突受损的帧。

如何估算所需的冲突检测时间呢？我们来先看看两种时延：

从一个站点开始发送数据到另一个站点开始接收数据，也即载波信号从一端传播到另一端所需的时间，称为信号传播时延。

信号传播时延 = 两站点的距离/信号传播速度（200m/μs）

对基带总线而言，此时用于检测冲突的时间不会超过任意2站之间的最大传播延迟的2倍。在CSMA/CD中，通过检测总线上是否存在信号以实现。

数据帧从一个站点开始发送，到该数据帧发送完毕所需的时间和为数据传输时延；同理，数据传输时延也表示一个接收站点开始接收数据帧，到该数据帧接收完毕所需的时间。

数据传输时延（s）=数据帧长度（bit）/数据传输速率（bps）

若不考虑中继器引入的延迟，数据帧从一个站点开始发送，到该数据帧被另一个站点全部接收所需的总时间，等于数据传输时延与信号传播时延之和。

由上述分析可知，为了确保发送数据站点在传输时能检测到可能存在的冲突，数据帧的传输时延要不小于两倍的传播时延。由此引出了CSMA/CD总线网络中最短帧长的计算关系式：

即：最短数据帧长=2×（任意两站点间的最大距离/200m/us）/数据传输速率

注意：计算时要注意单位统一。

由于单向传输的原因，对于宽带总线而言，冲突检测时间等于任意两个站之间最大传播时延的4倍。所以，对于宽带CSMA/CD来说，要求数据帧的传输时延至少4倍于传播时延。

在CSMA/CD算法中，一旦检测到冲突并发完阻塞信号后，为了降低再次冲突的概率，需要等待一个随机时间，然后再使用CSMA方法试图传输。为了保证这种退避操作维持稳定采用了一种称为二进制指数退避和算法，IEEE 802.3就是采用二进制指数退避和1-坚持算法的CSMA/CD媒体访问控制方法。这种方法在低负荷时，如媒体空闲时，要发送数据帧的站点能立即发送；在重负荷时，仍能保证系统的稳定性。由于在媒体上传播的信号会衰减，为确保能检测出冲突信号，CSMA/CD总线网限制一段无分支电缆的最大长度为500米。

例：CSMA （载波监听多路访问） 控制策略中有三种坚持退避算法，其中一种是："一旦介质空闲就发送数据，假如介质是忙的，继续监听，直到介质空闲后立即发送数据；如果有冲突就退避，然后再会试"这种退避算法称为（1）算法。这种算法的主要特点是（2） .

CSMA/CD 在 CSMA 的基础上增加了冲突检测功能。网络中的某个发送站点一旦检测到冲突，它就立即停止发送，并发冲突码，其它站点都会（3） .如果站点发送时间为 1,任意两个站之间的传播延迟为 t,若能正常检测到冲突，对于基带总线网络，t 的值应为（4） ;对于宽带总线网络，t 的值应为（5） .

（1）A. I-坚持CSMA B. 非坚持CSMA  C. P-坚持CSMA  D. O-坚持CSMA

（2）A.介质利用率低，但可以有效避免冲突   B.介质利用率高，但无法避免冲突

C.介质利用率低，且无法避免冲突     D.介质利用率高，且可以有效避免冲突

（3）A.处于待发送状态  B.相继竞争发送权

C.接收到阻塞信号  D.有可能继续发送数据

（4）A. t≤0.5    B. t>0.5     C. t≥1    D. 0.5<t<1

（5）A. t>0.25    B. t≥0.5     C. t≤0.25    D. 0.25<t<0.5

试题分析

从CSMA各种监听算法的实现方式可以得知，1-坚持 CSMA借助监听，可使一个待发站点在另一个站点发送之后立即进行发送，以试图尽量减少信道空闲时间；但若等待发送信号的站点不止一个时，则将发生冲突的概率为1.非坚持CSMA利用随机的重传时间来减少冲突的概率，即当发送站点监听到信道忙时就不再继续监听，而是等待一个随机时间后再监听，以试图避免冲突，但当两个希望发信号的站点都监听到信道忙时，很可能后退不同的时间，这种时间延迟很可能要浪费一些信道空闲时间。P-坚持CSMA一方面降低像1-坚持CSMA的冲突概率，另一方面又减少像非坚持CSMA的介质浪费，是一种折中的方法。因此，（1）（2）的正确答案为A、B.网络中的某个发送站点一旦检测到冲突，它就立即停止发送，并发冲突码，其它站点都会接收到冲突码（阻塞信号）。

已知站点发送时间（时延）为i,任意两站间的传播时延为t,则它们必须满足以下公式：    基带传输网络： i >= 2t ;

宽带传输网络： i >= 4t .

根据上述公式，可得出（4）、（5）的答案为：A、C.

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